Fisica 2: Elettricità e magnetismo: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 10 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Legge di Coulomb e campo elettrico

Legge di Coulomb
F = k·|q1q2|/r²
Campo di una carica puntiforme
E = k·|q|/r²
Costante
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Forza su una carica
F = q·E

Resistori in serie e parallelo

Resistenze in serie
Req = R1 + R2 + …
Resistenze in parallelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Due in parallelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Legge di Ohm
V = I·R
Potenza
P = V·I = I²R = V²/R

Metodo

  1. Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
  2. Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
  4. Ripeti finché tra i morsetti resta un solo resistore.

Transitori RC e RL

Costante di tempo
τ = RC | τ = L/R
Risposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensatore in continua
circuito aperto; vC non può variare a salto
Induttore in continua
cortocircuito; iL non può variare a salto
A regime
t ≈ 5τ

Metodo

  1. Trova il valore iniziale subito dopo la commutazione: la tensione di un condensatore e la corrente di un induttore non possono variare a scatto.
  2. Trova il valore finale molto tempo dopo la commutazione: un condensatore si comporta come un circuito aperto, un induttore come un cortocircuito.
  3. Trova la costante di tempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistenza vista dal condensatore o dall’induttore.
  4. Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Campi magnetici e induzione

Filo rettilineo lungo
B = μ0I/(2πr)
Centro di una bobina piana
B = μ0NI/(2R)
Solenoide lungo
B = μ0nI, n = N/L
Costante
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Forza su un filo
F = BIL·sin θ
Forza su una carica
F = |q|vB·sin θ
Moto circolare
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Fili paralleli
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Flusso
Φ = BA·cos θ
Legge di Faraday
ε = −N·ΔΦ/Δt
Asta in movimento
ε = BLv
Generatore
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Induttanza
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Mutua induttanza
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Selettore di velocità e spettrometro
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Metodo

  1. Converti ogni grandezza in unità SI: cm in m, cm² in m², mT e µT in T.
  2. Scegli la formula giusta: B = μ₀I/(2πr) per un filo, μ₀NI/(2R) per il centro di una bobina, μ₀nI all’interno di un solenoide; F = BIL·sin θ oppure |q|vB·sin θ per le forze.
  3. Per l’induzione, trova la variazione di flusso ΔΦ = Δ(BA·cos θ) e usa ε = N·ΔΦ/Δt, oppure ε = BLv per un’asta in movimento e NBAω per una bobina rotante.
  4. Trova i versi separatamente con le regole della mano destra, e con la legge di Lenz per le correnti indotte.

Impedenza AC e fasori

Impedenze
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsazione
ω = 2πf
Modulo e fase
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Legge di Ohm con i fasori
V = I·Z

Metodo

  1. Converti la frequenza: ω = 2πf.
  2. Trova ogni reattanza: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
  3. Somma le impedenze come resistori, con Z = R + jX.
  4. Trova il modulo |Z| = √(R² + X²) e l’angolo φ = atan(X/R), poi usa la legge di Ohm con i fasori.

2Esercizi

1.Legge di Coulomb e campo elettricoMedia
++1 µC++6 µCP50 cm

Una carica di +1 µC e una carica di +6 µC si trovano a 50 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 20 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +1 µCq2 = +6 µCr1 = 20 cmr2 = 30 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
8 cm8 cm+q1​ = +5 µC+q3​ = +4 µC+q2​ = +3 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 4 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 5 µC si trova a 8 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 3 µC a 8 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 5 µCq2 = 3 µCq3 = 4 µCr13 = 8 cmr23 = 8 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​5 ΩB

Trova la corrente IR1 erogata dal generatore, che scorre in R1.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​30 ΩBR6​2 Ω

Trova la corrente IR1 erogata dal generatore, che scorre in R1.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 ΩR5 = 20 ΩR6 = 2 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL33 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 2 ms, in mJ.

Vs = 15 VR = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms
W = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vsi apre a t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 10 kΩC220 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 1000 ms.

Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 10 kΩC = 220 µFt = 1000 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 8 × 10⁵ m/sr = ?B = 0,1 T

Una particella alfa si muove a 8 × 10⁵ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,1 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 8 × 10⁵ m/sB = 0,1 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
I = 2,5 Al = 30 cmN = 400, ⌀ 3 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 400 spire, una lunghezza di 30 cm e un diametro di 3 cm. Trova l’energia W immagazzinata nel suo campo magnetico quando è percorso da 2,5 A.

N = 400l = 30 cm⌀ = 3 cmI = 2,5 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = mJ
9.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V100 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 100 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 374583 N/C

Legge di Coulomb: due cariche puntiformi si attraggono o si respingono con F = k·|q₁·q₂|/r², con k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Il campo di una carica puntiforme è E = k·|q|/r², diretto in verso uscente da una carica positiva ed entrante in una carica negativa. Forze e campi dovuti a più cariche si sommano come vettori.

Campo di ciascuna carica

E1 = k·1 × 10⁻⁶/0,2² = 224750 N/C
E2 = k·6 × 10⁻⁶/0,3² = 599333 N/C

Versi e somma

Entrambe le cariche sono positive: in P ciascun campo è diretto lontano dalla propria carica, quindi i due hanno versi opposti.

E = |224750 − 599333| = 374583 N/C

Risposta

E = 374583 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 32,76 N

Legge di Coulomb: due cariche puntiformi si attraggono o si respingono con F = k·|q₁·q₂|/r², con k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Il campo di una carica puntiforme è E = k·|q|/r², diretto in verso uscente da una carica positiva ed entrante in una carica negativa. Forze e campi dovuti a più cariche si sommano come vettori.

Ogni forza su q₃

F1 = k·5·4 × 10⁻¹²/0,08² = 28,09 N
F2 = k·3·4 × 10⁻¹²/0,08² = 16,86 N

Somma vettoriale

F = √(28,09² + 16,86²) = 32,76 N

Risposta

F = 32,76 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,867 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 3 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​5 ΩB

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R3 + R4 = 6 + 5 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 3 + 2,357 = 5,357 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 10/5,357 = 1,867 A

Risposta

IR1 = 1,867 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,079 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 12 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​30 ΩBR6​2 Ω

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R5 + R6 = 20 + 2 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 12,69 Ω
R3 + 12,69 = 37,69 Ω
R2 ∥ 37,69 = 1,899 Ω
Req = R1 + 1,899 = 12 + 1,899 = 13,9 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 15/13,9 = 1,079 A

Risposta

IR1 = 1,079 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W = 4,58 mJ

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Costante di tempo e corrente finale

Molto tempo dopo la chiusura dell’interruttore l’induttore si comporta come un cortocircuito, quindi la corrente finale dipende solo da R.

τ = L/R = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,75·(1 − e−2/1,65) = 0,5268 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·33·0,5268² = 4,58 mJ

Risposta

W = 4,58 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 7,804 V

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 15·10/(2,2 + 10) = 12,3 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 10·220 = 2200 ms

Scarica

vC(t) = 12,3·e−1000/2200 = 7,804 V

Risposta

vC = 7,804 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 16,59 cm

Forze magnetiche: un filo rettilineo percorso da I in un campo B risente di F = BIL·sin θ, e una carica in movimento di F = |q|vB·sin θ, dove θ è l’angolo tra la corrente (o la velocità) e B. La forza è perpendicolare a entrambi: punta le dita della mano destra lungo I o v, piegale verso B, e il pollice indica F per una carica positiva; invertila per una carica negativa. Poiché F è perpendicolare a v, una carica che si muove attraverso un campo uniforme descrive una circonferenza: |q|vB = mv²/r dà r = mv/(|q|B) e il periodo T = 2πm/(|q|B), che non dipende dalla velocità. Due fili paralleli si attraggono per correnti nello stesso verso: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Equilibrio delle forze

La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità, quindi incurva la traiettoria in una circonferenza.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Raggio

r = 6,645 × 10⁻²⁷·8 × 10⁵/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,1) = 0,1659 m = 16,59 cm

Risposta

r = 16,59 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: W = 1,48 mJ

Induzione elettromagnetica: il flusso attraverso una spira è Φ = BA·cos θ, con θ tra B e la normale alla spira. Legge di Faraday: una variazione di flusso induce una f.e.m. = −N·dΦ/dt in una bobina di N spire, e la legge di Lenz dice che la corrente indotta scorre in modo che il suo campo si opponga alla variazione. Un’asta che si muove attraverso un campo dà una f.e.m. = BLv. Una bobina che ruota con ω dà e = NBAω·sin ωt, con picco NBAω. Autoinduttanza: f.e.m. = −L·di/dt, con L = μ₀N²A/l per un solenoide lungo, e l’energia immagazzinata è W = ½LI². Due bobine accoppiate: f.e.m.₂ = −M·di₁/dt con M = k√(L₁L₂).

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 473,7 µH

Energia immagazzinata

W = ½LI² = ½·0,0004737·2,5² = 0,00148 J = 1,48 mJ

Risposta

W = 1,48 mJ
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −81,96 °

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−566,4)²) = 572 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−566,4/80) = −81,96°

Risposta

φ = −81,96°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,3792 A

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (306,2)²) = 316,5 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/316,5 = 0,3792 A

Risposta

I = 0,3792 A

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